Дәріс 4. Созымдылық деформациясы

Металдар деформациясы. Деформация деп – денеге түсірілетін күштің әсерінен дененің өлшемдері мен пішінінің өзгеруі аталады. Деформацияны сыртқы күштер (денеге түсірілген жүктемелер), сонымен қатар денелердің өзінде өтетін, мысалы, температура градиентінің қыздыру (салқындату) кезіндегі байланысымен дененің біртексіз кеңеюі (сығылуы) әсерінен өтетін, әр түрлі физика – механикалық процестер, фазалық түрленулер кезіндегі көлемнің өзгеруі және т.б. тудырады. Деформация түрлерін серпімді және созымды деп бөлуге болады. Серпімді деформация деп – жүктеу аяқталғаннан кейін қалпына келетін деформация түрін айтамыз. Серпімді деформация металдарда құрылым мен қасиеттердің қалдық өзгерісін тудырмайды.

Созымды деформация деп – жүктеу аяқталғаннан кейін қалпына келмейтін деформация түрін айтамыз. Созымды деформация металдардың құрылымы мен қасиеттерінде қалдық өзгерістер қалдырады.

Деформация процессінің физикалық мәні. Серпімді деформация. Кристалдың серпімді деформациясы кезінде әсер ететін кернеулер тепе – теңдік күйінен атомдардың қайтымды сырғуын тудырады, осының нәтижесінде кристалдық тордағы атомдар арасындағы ара – қашықтық өзгереді. Созылу кезінде ол жоғары, ал сығылу кезінде ол төмен болады. Атомдардың арасындағы ара – қашықтық неғұрлым үлкен болса, соғұрлым кристалдың серпімді деформациясы жоғары болады. Кристалл торындағы атомдардың кері қайтатын сырғуы өте аз және атом аралық қашықтықтың аз мөлшерін құрайды.

Атомдардың тепе – теңдік күйінен ауытқуы олардың арасындағы тартылыс және тебілу күштерінің арасындағы әсер етуші балансын бұзады (көрші атомдардың арасындағы байланыс күш (энергия) оң зарядталған иондар және электрондар арасындағы тартылыс күшінен тұрады, екінші ағынан иондардың басқа иондардан тебілу күшімен сипатталады).

Тартылыс және тебілу күштерінің әрекеті атомдардың арасындағы қашықтыққа байланысты болады. Атомдар мен кристалдық торлардың тепе – теңдік күйіне сәйкес келетін кейбір ара – қашықтықтарда тартылыс күші тебілу күшімен теңеседі. Жүктемені алғаннан кейін осы күштердің әсерінен атомдар қайтадан тепе – теңдік күйге көшеді, осының нәтижесінде металдың уақытша өзгерген пішіні мен қасиеттері қайта қалпына келеді.

Созымды деформация. Кристалдарды деформациялау кезінде бірінші серпімді деформация пайда болады, бірақ кернеу жоғаралағанда кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне қатысты жылжуы өтеді, ол өз кезегінде созымдылық, қалдық деформацияны тудырады. Жылжу түйіспелі кернеулер мәні білгілі бір критикалық мәннен τ_кр асқанда өтеді.

Кристалдың бір бөлігінің екіншісіне қатысты жылжуы сырғу немесе қосарлану жолымен жүзеге асырылады. Сырғу және қосарлану деформациясының сұлбасы 4.1. а және б – суреттерде көрсетілген.

Сырғу – кристалдың бір бөлігінің сырғанау немесе жылжу жазықтығына қатысты паралель жазықтықта орын ауыстыруы. Сырғу кезінде параллель жазықтықтардың кристалл қабаттарының жылжуы бірдей қашықтықта өтеді. Соның нәтижесінде деформацияланған кристалдың кристаллографиялық бағыты өзгеріссіз қалады. Сырғу белгілі бер кристаллографиялық жазықтықтар және белгілі бір бағыттар бойынша атомдардың қайтымсыз ығысуының нәтижесі болып табылады. Сырғу атомдардың жинақталған тығыздығы аз болған жазықтықтар бойынша оңай өтеді.

	Көрші параллель тығыз орналасқан жазықтықтар арасындағы қашықтық, төмен тығыздықты атомдары бар жазықтықтар арасындағы атом аралық күштерге қарағанда аз болады. Сондықтан сырғуға қарсыластығы аз болады және жылжуды жеңілдетеді. 4.2 – суретке сәйкес көлемдік – центрленген текше торда бұл жазықтықтарға (110), қырларына центрленген текше торда (111), гексагональды торда (001) жазықтықтары болады. Кристалдық торда жазықтықтар және сырғу бағыттары неғұрлым көп болса, соғұрлым металдың созымдылық деформацияға қабілеттілігі жоғары болады. Деформация белгілі бір жазықтықтар бойынша өтетіндіктен,
4.1 – сурет. Сырғу (а) және қосарлану (б) созымды деформациясының сұлбасы. (в) – сырғу бұрышы
4.2– сурет.Әр түрлі пішінді торлардағы кристаллографиялық сырғу жазықтықтары

әсер ететін күшті құрайтын, әсер ететін қарқынды күш тангенсальды (жанама) ғана болады, бірақ бірақ кернеудің максималды жанамалығы сырғу жазықтығына 45° бұрышпен күшті бағыттау кезінде байқалады, сондықтан сырғу барлық мүмкін болатын жазықтықтар бойынша бір уақытта басталмайды, ал біртіндеп өтеді. Дислокацияның түзілуі қандай да бір энергияны талап етеді, бірақ егер ол түзілсе, онда ол дислокация сызығы бар жазықтықта онай жылжиды.

	Әдетте сырғу жазықтықтарында ондаған дислокациялар орналасады. Жанама кернеулердің әсерінен олардың орын ауыстыруы созымды деформацияның дамуын тудырады. Кристалдың бетіндегі сатының биіктігі олардан шығатын дислокациялардың санына пропорционал жоғарлайтын болады.
4.3 – сурет. Сырғу кезіндегі ернеулік дислокациялардың қозғалысының сұлбасы

Дислокациялардың қозғалысы жаңа дислокациялардың туындауына әкеледі, соның нәтижесінде кристалдардағы дислокациялар саны өседі. Көп мөлшердегі дислокациялардың қозғалысының әсерінен сырғу болатын кезде жоғары созымды деформация болуы мүмкін. Егер кристалда дислокациялар –оңай қозғалатын, созымды деформацияны оңайлататын кемшіліктер болмаса, онда кристал теориялық мәніне жақын жоғары беріктікке ие болуы керек. Оны жіп тәрізді кристалдар немесе «мұртшалар» деп аталатын, өте жіңішке жіп түріндегі дислокациясыз кристалдардың пайда болуымен дәлелденген. Металдардағы дислокациялардың саны көбейген сайын бастапқыда беріктік күрт төмендейді, себебі салыстырмалы аз мөлшердегі дислокациялар саны жылжу кезінде өзінің жолында қозғалысты тежейтін бөгеттерге аз кездеседі. Мұндай бөгеттер қозғалыстағы дислокациялардың бір – бірімен қиылысуы немесе қақтығысуы нәтижесінде болады. Дислокациялардың тығыздығы жоғары болмаса, мұндай қақтығыстардың саны аз болады. Бірақ беріктік сипаттамасының минималды мәнімен шартталатын мәніне қарай дислокация тығыздығы жоғарлаған кезде, дислокациялардың жиі кездесуі мен тежелуі нәтижесінде беріктену жүреді. Осыдан шығатыны, беріктенуге дислокациялардың минималды қозғалысын қамтамасыз ететін, металдың құрылымын алу кезінде қол жеткізуге болады. Беріктену күйіне дислокация тығыздығын жоғарлатуды, легірлеуді (негізгі торға бөтен элемент атомдарын енгізу), термиялық өңдеуді қамтамасыз ететін суықтай созымды деформация жолымен алынуы мүмкін. Бірақ осы әдістердің барлығын қолданған кездің өзінде беріктік теориялық мәнге жақындамайды.

Қосарлану. Сырғудан басқа созымды деформация қосарланумен де жүзеге асады. Қосарлану кристалдың бір бөлігінің екінші бөлігіне қатысты, қосарлану жазықтығы деп аталатын жазықтыққа қатысты симметриялы жаңа орынға жылжуымен түсіндіріледі. Қосарлану жазықтығындығы (сызба жазықтығына перпендикуляр) бұл аймақтағы кристалды екі әр түрлі бағыттағы бөлікке ажыратады. Қосарлану кезіндегі өзгерістер болған жоқ және кристалдың бағыты бастапқыдан өзгермейді. Жоғарғы бөлігінде атомдардың орын ауыстыруы өтті, нәтижесінде қосарлану жазықтығынан жылжу жазықтығы неғұрлым алыс болса, ондағы атомдар соғұрлым үлкен ара – қашықтыққа орын ауыстырады. Сондықтан қосарлану кезінде бағыттың өзгеруі өтеді – қосарланған қабаттар түзіледі. Қосарланған қабаттың ішіндегі кристалдық тор кристалдың басқа бөлігіндегі тордың айнадағы бейнесіндей болып табылады. Айнадағы бейненің жазықтығы қосарлану жазықтығының қызметін атқарады (қосарланған қабаттағы орын ауыстырған атомдарды косарлану жазықтығына қатысты кристалдың басқа бөләгәнде орналасқан орын ауыстырмаған айнадағы бейнесінің көрінісімен алуға болады). Деформацияланған металдарды микроскопиялық зерттеу кезінде сырғу және қосарлану деформация түрлерін ажыратуға болады. Қосарлану деформациясын құрылымда қос күйлердің болуы сипаттайды. Оларды уландырудан кейін қарасақ, екі параллель жазықтықтармен шектелген аймақтар түрінде байқалады.

Металдардағы сырғу немесе қосарлану жолымен алынған деформация кристалл торының түрлеріне тәуелді болады. Көлемдік центрленген және қырларына центрленген текше торы бар металдар көбінесе сырғу жолымен, гексагональды тығыз орналасқан текше торы бар металдар сырғу және де қосарлану жолымен деформацияланады.

Поликристалдық металдардың созымды деформациясы. Техниканың әр түрлі салаларында қолданылатын металдар мен қорытпалар көптеген жағдайларда поликристалды болып табылады. Поликристалл металдарда созымды деформацияның дамуына кеңістіктегі түйірлердің түрлі бағыттары және түйін аралық шекаралардың бар болуы әсер етеді. Түйір бағыттарының әр түрлі болуына байланысты поликаристалды металдың созымды деформациясы бірдей және барлық түйірлерде бір уақытта басталуы мүмкін емес. Бірінші кезекте сырғу әсер ететін күштің бағытына 30 – 70°бұрышпен бағытталған түйірлерде басталады, содан кейін ол біртіндеп деформация дәрежесінің өсуіне байланысты барлық түйірлердің жазықтықтарының бағыты өзгереді. Созымды деформация жоғары болғанда жазықтық және түйір бағыттары айтарлықтай жылжу пайда болады. Деформацияның сыртқы күшіне қатысты түйірлердің айтарлықтай жылжуы деформация текстурасы деп аталады. Деформация текстурасының түзілуі поликристалды металдың анизотропты болуына әкеледі (оның қасиеті сынау бағытына байланысты өзгереді).

Түйір шекаралары бір түйірден екінші түйірге созымды деформацияның таралуына кедергі келтіреді (егер деформация жоғары температуралар кезінде өтпеген болса). Шекара маңайындағы аймақтар атомдық – кристалдық құрылымның ақаулар мөлшері жоғары болады, мұнда деформация қиындатылған. Шекаралардың әсері созымды деформацияға қарсыластықтың жоғарлауынан байқалады, оларды жеңу үшін оғары мөлшердегі ішкі кернеуі қажет етіледі.

Созымды деформация кезінде дислокация тығыздығы жоғарлаумен қатар нүктелік ақаулардың – дислокацияланған атомдардың бос орындардың (вакансия) да саны өседі. Созымды деформацияның поликристалды металдың микроқұрылымын туындатады. Алдын – ала ажарланған үлгінің бетінде кішкене деформация болған кезде жеке түйірлердің шекарасында микроскоппен қарағанда деформация өнімдерін – сырғу сызықтары (жолақтар) және қосарлануды байқауға болады. Одан әрі қарай деформация өнімдері байқалатын түйірлер саны көбейеді. Деформация дәрежесі өскен кезде оның даму керегіне қарай әрбір түйірде микроқұрылым біршама өзгереді – созымдылық бағытына байланысты түйірлер ұзарады (4.4 – суретке байланысты). Жоғары деформация кезінде талшықты құрылым түзіледі.

а – деформацияға дейін; б – деформациядан кейін 4.4 – сурет. Созымдылық деформациясының металл микроқұрылымына әсері

4.5– сурет. Созымды деформация дәрежесінің εметалдың беріктік (σвжәне σ0,2) және созымдылық (δ) сипаттамаларына әсері.

Пластикалық деформация кезінде өтетін ішкі өзгерістердің барлығы (кристалдық тордың қисаюы, дислокация тығыздығының үлкеюі және бос орындар, құйылған металда микро – және макроқұрылымдары полиэдрліктен деформацияланған металда талшықтыға дейін өзгереді, деформация талшықтары пайда болады), металдың беріктігін тударыды. Уақытша кедергі, аққыштық шегі, қаттылық сияқты беріктік сипаттамалары жоғарлайды, ал созымдылығы – төмендейді. Созымды деформацияның әсерінен металдың беріктенуін қақталма деп аталады (қақталма дегенді кеңітілген анықтамасы – металдардың пластикалық деформациясы кезінде құрылымы мен оған қатысты қасиеттерінің өзгерісінің жиынтығы). Қақтауды тетікбөлшектерді беріктендірудің әдісі ретінде кеңінен қолданылады, оларды дайындау суықтай қысыммен өңдеуден тұрады. Созымды деформация металдың физикалық қасиеттерінің өзгеруіне әкеледі: электр кедергінің жоғарлауына, тығыздықтың төмендеуіне, магниттік қасиеттердің өзгеруіне әкеледі. Қақталған металдар пайдалану кезіндегі жемірілуге төзімділігі төмен болады. Қақталған метал деформацияға жұмсалған энергияның 5 – 10 % жинақтайды. Бұл энергия кристалдық құрылымның кемшіліктерін және кристалдық тордың қисаюларын түзету үшін қолданылады.

Нег. 2 [68 – 80]

Бақылау сұрақтары:

1. Металдар мен қорытпалардың деформациясының қандай түрлерін білесіз?

2. Металдар мен қорытпалардың серпімділік деформациясы дегеніміз не?

3. Металдар мен қорытпалардың созымдылық деформациясы дегеніміз не?

4. Наклеп дегеніміз не?

5. Деформация текстурасы дегеніміз не?

Дата добавления: 2013-12-13